核動力院自主研制非能動氫復合器紀實

    2015年8月，中國核動力研究設(shè)計院非能動氫復合器研發(fā)組第6次向核電站遞交了標書，這是該院自主研發(fā)的非能動氫復合器向應用于三代核電站邁出的又一大步，此前，該產(chǎn)品已中標4次。自研發(fā)成功贏得第一個標書后，核動力院已逐漸成為國內(nèi)最大的非能動氫復合器供貨商。
　　2011年發(fā)生的日本福島核事故，使“嚴重事故條件下氫氣控制措施”成為備受業(yè)界關(guān)注的方向之一，而在此之前，核動力院就已敏銳覺察到作為控制核電站嚴重事故工況下產(chǎn)生的氫氣濃度的非能動氫復合器的廣闊市場和前景。
　　作為核電廠安全殼內(nèi)重要的專用安全設(shè)備，我國核電站非能動氫復合器的研發(fā)和供貨一直被少數(shù)廠家壟斷。
　　2009年7月，核動力院二所六室決定將非能動氫復合器的自主研發(fā)作為開發(fā)核電市場的主要方向，確定開展二代改進型核電廠用非能動氫復合器的研制工作。六室成立了專項攻關(guān)組，開始摸索技術(shù)路線。2010年3月，核動力院以技術(shù)開發(fā)基金予以支持，正式立項研發(fā)。
　　零的突破
　　非能動氫復合器的關(guān)鍵之一是催化板的研發(fā)，不但要滿足反應堆安全殼內(nèi)嚴重事故后的環(huán)境條件，還必須具有非能動條件下啟動、啟動溫度低、消氫速率快等一系列指標。
　　但是當時的研發(fā)隊員大多是年輕人，而且沒有一個是催化劑專業(yè)出身，一切都要從零開始。他們先從理論開始，廣泛調(diào)研國內(nèi)外非能動氫復合器研發(fā)狀況，學習消化氫氣催化理論，虛心請教催化行業(yè)專家，并結(jié)合核電廠對該設(shè)備技術(shù)規(guī)格書的要求，制定研制方案，確定技術(shù)路線。由此，開始了非能動氫復合器研發(fā)的第一步。
　　在解決催化劑涂覆技術(shù)這個最關(guān)鍵的難題中，大半年過去了，研發(fā)人員還一直停留在理論階段，沒有取得任何實質(zhì)進展，好不容易找到一家有實力的廠家，卻只答應嘗試一下，不承擔研發(fā)失敗的責任和后果。
　　有希望就不放棄。研發(fā)團隊先后派出多名技術(shù)人員進駐廠家，現(xiàn)場攻克技術(shù)問題，利用合作伙伴的專業(yè)設(shè)施，經(jīng)過無數(shù)次反復摸索、試驗、改進，最終大幅提高了催化劑與基材的結(jié)合力，該性能還超過了國外同類產(chǎn)品。此項技術(shù)，也成為核動力院非能動氫復合器的最大技術(shù)特點，并成功申請發(fā)明專利。
　　從零開始最終取得了零的突破。
　　馴服氫爆
　　催化板制造出來后，在常溫條件下的消氫驗證試驗是事關(guān)研發(fā)成敗的又一關(guān)鍵。
　　馴服氫氣可不是一件容易的事。第一次消氫試驗時，由于欠缺經(jīng)驗，一個很小的誤操作使得氫氣流速過快而發(fā)生了爆炸，連接管路的一個小三通被炸得粉碎，在場的試驗人員都嚇呆了。這是大家第一次近距離感受氫氣爆炸的威力和難以馴服的“脾氣”。
　　心有余悸的同時，大家驚喜地發(fā)現(xiàn)催化板在常溫條件下消氫了。研發(fā)人員們喜不自禁，開始著手對試驗方案進行修改和論證，準備開展第二次驗證試驗。然而，在一周后的改進裝置試驗中，新?lián)Q的催化板又不消氫了。瞬間，高漲的情緒跌入了谷底。
　　“哪個環(huán)節(jié)出了問題？我們能做出來嗎？人力、時間的投入會白費嗎？”無數(shù)的疑問不停拷問著研發(fā)團隊，他們逐一排查了所有步驟和節(jié)點之后發(fā)現(xiàn)，第一次試驗之所以消氫成功，竟然是那個可怕的爆炸導致的，由爆炸引起的催化板的改性使其能夠在常溫條件下穩(wěn)定地消氫。
　　這又回到了起點，究竟什么原因促使催化板在常溫下消除氫氣呢？在大量理論文獻查閱中，研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)有可能是一種化學制劑改變了催化劑的狀態(tài)，提高了貴金屬催化劑的活性，使其具備常溫條件下消氫的功能。循著線索追下去，大家決定試試。
　　化學品的存放和使用都有非常嚴格的要求，那段時間，經(jīng)常可以看到戴著防護面具的研發(fā)人員出出進進，有時會嚇人一跳。一個月后，經(jīng)過無數(shù)次的失敗與工藝改進，催化板常溫啟動的問題終于得以成功解決。
　　沖破難關(guān)
　　接下來，研發(fā)進入最后關(guān)頭，即將進行的非能動氫復合器樣機的驗證試驗能否成功關(guān)系著整個研制的成敗。而試驗中，非能動氫復合器的啟停閾值和消氫速率是最關(guān)鍵的技術(shù)指標。
　　開展啟停閾值試驗時，反應容器中氫氣濃度緩慢上升，1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%，“切斷氫氣供應”，一聲令下，時間仿佛停止了一樣，所有的研發(fā)人員都屏住呼吸，瞪著“僵尸眼”注視監(jiān)控畫面中的氫氣濃度和溫度值的變化，10秒、20秒、30秒，終于，在大家期盼的眼神下，氫復合器出口溫度開始上升，氫氣濃度下降了，“非能動氫復合器啟動了，滿足要求！”隨著一聲宣告，大家懸著的心頓時落下。
　　消氫速率試驗是難度最大、危險性最高的一個試驗。開啟試驗后，隨著反應容器中氫氣濃度緩慢上升到3%，氫氣復合器開始工作，反應容器中的溫度、壓力也伴隨升高，所有試驗人員也開始緊張起來。氫氣濃度又上升到4%?！皶粫l(fā)生爆炸？爆炸后會造成什么后果？”沒有人開展過類似試驗，試驗后續(xù)會如何發(fā)展更無法預測，盡管已采取了各種安全措施，試驗人員仍萬分緊張。隨著時間的推移，反應容器中氫氣濃度、氧氣濃度、壓力、溫度等參數(shù)終于逐漸穩(wěn)定下來，試驗達到了預期效果，研發(fā)團隊成功獲得了非能動氫復合器的消氫速率。
　　短短四個月時間里，研發(fā)團隊完成了20余項針對性的非能氫復合器驗證試驗，逐步攻克了啟停閾值試驗方法設(shè)計、穩(wěn)態(tài)消氫速率試驗方法設(shè)計以及試驗裝置建設(shè)中氫氣和氧氣混合、嚴重事故后安全殼環(huán)境條件模擬以及氫氣在爆炸范圍內(nèi)的濃度控制及測量等關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)。
　　2011年12月23日，核動力院自主研發(fā)的“PARQX核電廠非能動氫復合器”在成都通過產(chǎn)品鑒定。專家評審組組長、中國工程院院士葉奇蓁宣布：“核電廠非能動氫復合器的研制成功，對提高核電站應對嚴重事故能力具有重大意義，鑒定委員會一致同意該項目通過鑒定?！痹擁椦邪l(fā)成果也被評為中核集團科技進步二等獎和2012年十大創(chuàng)新性成果之一。
　　依托非能動氫復合器研發(fā)成果，核動力院還成功申請了能源局核電標準《非能動氫復合器鑒定試驗規(guī)程》的編制，預計2016年5月正式發(fā)布。這標志著該院在非能動氫復合器研究領(lǐng)域處于技術(shù)領(lǐng)先位置，引領(lǐng)了國內(nèi)非能動氫復合器的發(fā)展。
　　一個核電產(chǎn)品的研發(fā)成功和應用，是多專業(yè)協(xié)同努力的結(jié)果。非能動氫復合器涉及到二所化工、材料、機械、熱工、力學等多個專業(yè)領(lǐng)域，同時得到了所領(lǐng)導和各級管理部門的大力支持，經(jīng)過幾年的努力，核動力院自主研制的非能動氫復合器不僅完成了對國內(nèi)核電站的批量生產(chǎn)供貨，還成功實現(xiàn)了海外供貨。
　　如今，二所六室課題組已從非能動氫復合消氫技術(shù)研究擴展到嚴重事故下的氫氣控制措施研究，包括嚴重事故下的氫氣在線監(jiān)測技術(shù)、非能動消氫技術(shù)、能動式氫氣點火技術(shù)研究等，并將在后續(xù)的工作中取得更大的成績。